硅整流式交流發(fā)電機(jī)在活塞通用飛機(jī)上的應(yīng)用

許明軒

摘 要：近年來(lái)，快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)為我國(guó)通用航空產(chǎn)業(yè)提供了廣泛的發(fā)展空間，通用航空的發(fā)展環(huán)境也不斷得到改善。在這種良好的背景下，積極開展通用飛機(jī)型號(hào)研制，為民航市場(chǎng)提供更多性能穩(wěn)定、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的通用飛機(jī)是一項(xiàng)利國(guó)利民的偉大事業(yè)。該文首先分析了硅整流發(fā)電機(jī)的原理和使用環(huán)境，然后以國(guó)家立項(xiàng)的通用飛機(jī)型號(hào)作為背景需求，通過計(jì)算分析、實(shí)例選型和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出一套可行的主電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型方法。

關(guān)鍵詞：整流 交流發(fā)電機(jī) 通用飛機(jī)

中圖分類號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

1885年美國(guó)科學(xué)家特斯拉發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒有換向器，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)，其在工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用，航空領(lǐng)域也是如此[1]。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)因其原理簡(jiǎn)單可靠、燃油經(jīng)濟(jì)性好和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在輕型通用飛機(jī)上得到廣泛使用。受發(fā)動(dòng)機(jī)配套和適航取證（發(fā)動(dòng)機(jī)需單獨(dú)取TC證）限制，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商往往將起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)附件整體提供。目前，世界范圍內(nèi)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商均標(biāo)配硅整流式交流發(fā)電機(jī)作為飛機(jī)主電源和備用電源。飛機(jī)電源系統(tǒng)的基本使用模式如下：正常情況下，由發(fā)電機(jī)向全機(jī)所有用電設(shè)備供電，同時(shí)向應(yīng)急蓄電池浮充電；發(fā)動(dòng)機(jī)失效或主電源故障后，由應(yīng)急蓄電池向應(yīng)急負(fù)載供電。

1 原理

1.1 發(fā)電原理

硅整流式交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理如圖1所示[2]。

圖1 硅整流式交流發(fā)電機(jī)發(fā)電原理

在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）。磁場(chǎng)外有一個(gè)定子繞組，繞組有3組線圈（3相繞組），3相繞組彼此相隔120°。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)使固定的電樞繞組切割磁力線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

定子3相繞組感生電動(dòng)勢(shì)的大小為：

由此上述公式可知，交流電動(dòng)勢(shì)的幅值是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，3相電動(dòng)勢(shì)的波形為變頻率、變幅值的交流波形。交流電動(dòng)勢(shì)的波形如圖2所示。

圖2 交流電動(dòng)勢(shì)波形

1.2 整流原理

交流發(fā)電機(jī)定子的3相繞組中，感應(yīng)產(chǎn)生的是交流電，由6只二極管組成的三相橋式整流電路變換為直流電。二極管具有單向?qū)щ娦裕?dāng)給二極管加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通；當(dāng)給二極管加上反向電壓時(shí)，二極管截止。

1.2.1 導(dǎo)通原則

二極管的導(dǎo)通原則如圖3所示。

圖3 二極管導(dǎo)通圖

a）當(dāng)3只二極管負(fù)極端相連時(shí)，正極端電位最高者導(dǎo)通；b）當(dāng)3只二極管正極端相連時(shí)，負(fù)極端電位最低者導(dǎo)通。

1.2.2 整流過程

橋式整流電路如圖4所示。通過分析二極管的導(dǎo)通原則可得出電壓波形，如圖5所示。

圖4 三相整流電路

圖5 三相電壓波形和整流波形

1.3 調(diào)壓原理

由于交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，且發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比恒定，這樣將引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生較大變化，無(wú)法滿足機(jī)載用電設(shè)備的工作要求。為了滿足用電設(shè)備恒定電壓的要求，交流發(fā)電機(jī)必須配置電壓調(diào)節(jié)器，使其輸出電壓在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下基本保持恒定。由公式（4）可知，交流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。交流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器就是通過控制勵(lì)磁電流的方法來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓在一定范圍內(nèi)保持波動(dòng)。

2 應(yīng)用實(shí)例

以國(guó)內(nèi)某型活塞通用飛機(jī)為例，詳述硅整流式交流發(fā)電機(jī)的選型應(yīng)用。

2.1 負(fù)載分析

負(fù)載分析是將各個(gè)獨(dú)立的電氣系統(tǒng)或各類電源所供電的那些負(fù)載，按照其在飛機(jī)飛行任務(wù)的各個(gè)階段的用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以確定該系統(tǒng)在飛機(jī)各飛行階段的用電要求[3]。通過計(jì)算分析得出電源使用圖如圖6所示。

2.2 發(fā)電機(jī)選型

根據(jù)負(fù)載分析的結(jié)果，并與發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商Lycoming公司進(jìn)行協(xié)商，發(fā)電機(jī)初步選型為30 V，90 A硅整流式交流發(fā)電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 容量裕度

電源容量裕度Hp表示飛機(jī)向?qū)?lái)可能要裝機(jī)使用的用電設(shè)備提供電功率的能力，同時(shí)也表示電源的利用程度。容量裕度計(jì)算公式如下[4]：

Hp=（J-L）/ J ×100% （5）

其中：Hp—電源容量裕度

J—電源修正容量

L—電源負(fù)載

經(jīng)計(jì)算，主電源連續(xù)供電容量裕度為39.68%，滿足行業(yè)規(guī)范要求。

3 地面試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所選交流發(fā)電機(jī)的實(shí)際供電能力，依據(jù)飛機(jī)對(duì)主電源的使用需求進(jìn)行地面模型試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)框圖

主電源地面模型試驗(yàn)原理框圖如圖7所示。

圖7 主電源地面模型試驗(yàn)框圖

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 負(fù)載特性試驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為4000 r/min、6000 r/min、8 000 r/min，加載使發(fā)電機(jī)輸出電流分別為0 A（系統(tǒng)空載）、10 A、30 A、50 A、70 A、90 A，測(cè)量發(fā)電機(jī)電流、電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓，得出發(fā)電機(jī)在3種轉(zhuǎn)速下的負(fù)載特性V = f（i）曲線。

3.2.2 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)輸出電流分別調(diào)整為0 A（系統(tǒng)空載）、30 A、60 A、90 A，改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min，測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓，繪出發(fā)電機(jī)在4種電流輸出時(shí)的轉(zhuǎn)速特性 V = f（n）曲線

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3.1 負(fù)載特性曲線

主電源負(fù)載特性曲線如圖8所示。

圖8 負(fù)載特性曲線

3.3.2 轉(zhuǎn)速特性曲線。主電源轉(zhuǎn)速特性曲線如圖9所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合飛機(jī)各種狀態(tài)下的用電需求，得出該型交流發(fā)電機(jī)的選型完全滿足飛機(jī)實(shí)際供電需求。

圖9 轉(zhuǎn)速特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

硅整流式交流發(fā)電機(jī)作為主電源用于飛機(jī)型號(hào)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)較多實(shí)例。該文所敘述的交流發(fā)電系統(tǒng)目前正隨型號(hào)進(jìn)行適航驗(yàn)證試飛，預(yù)計(jì)2014年將隨飛機(jī)型號(hào)取得中國(guó)民航頒發(fā)的適航證。硅整流式交流發(fā)電機(jī)以其獨(dú)有的技術(shù)性能和成本優(yōu)勢(shì)，必將在通用飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，開拓出廣闊的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[4] 馬述訓(xùn).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999：34.